顶部条形荷载作用下加筋土挡墙水平变形分析

2024-01-06杜衍庆练象平段绪斌甄天宇

天津建设科技 2023年6期

杜衍庆，练象平，段绪斌，甄天宇

（1.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津300392；2.河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

加筋土挡墙因施工简便、对环境适应性强、建造经济等特点，在岩土加固支挡结构中得到广泛应用。随着基础设施的快速发展，加筋土挡墙逐渐被用于交通基础设施支撑体系，如美国在修复和替换中小型单跨桥梁时提出采用新型加筋土柔性桥台，修建过程中桥台基础通过垫层直接作用于加筋土上，这种新型桥台在美国已多达250多座[1]。相较于传统加筋土技术，将加筋土挡墙作为承载基础时优点明显，如传统桥台需要开挖深基础，不仅增加成本也延长工期，而加筋土桥台能够避免这些缺点。

由于加筋土挡墙的受力与常规用于道路支挡挡墙结构存在明显差异；因此，新型加筋土桥台结构性能的研究成为热点。美国FHWA 规范中提出了加筋土挡墙顶部使用极限荷载一般不超过200 kPa[2]，但是Yoo 等[3]通过试验发现加筋土挡墙顶部能够承受极限荷载可达420 kPa；Helwany 等[4]通过试验发现加筋土挡墙的极限承载值高达850 kPa，相比之下规范中规定的承载能力过于保守。上述研究表明，加筋土挡墙具有优异的承载特性，可为上部荷载提供较好的支撑条件。

事实上，加筋桥台结构对变形控制要求严格，当加筋土挡墙结构在运营期变形过大时，存在潜在的安全风险；因此，开展加筋土挡墙变形特性的分析是必要的。目前，大多变形研究主要集中在加筋结构的沉降分析，如黄广军[5]、李志清等[6]基于数值方法研究了不同工况下加筋路堤的沉降变化规律，Xiao C Z 等[1]基于实际案例分析了回填土填料、加筋间距和平台宽度等主要设计参数对高路堤加筋土挡墙受力变形的影响。相比之下，对顶部条形基础作用下加筋土挡墙面板水平变形特性的研究甚少，本文基于数值方法，采用参数化分析，研究顶部条形基础荷载作用下加筋土挡墙的水平变形特点。

1 数值模型及分析方案

1.1 加筋土挡墙数值分析模型

加筋土挡墙墙高为H，为避免边界效应，挡墙面板背部尺寸为3H；面板前地基土宽度取为H，考虑到加筋土挡墙面板基础及其建模的需要，挡墙地基深度设置为H，当不考虑地基土影响时，可将地基土设置为刚性材料参数；墙面板模块高和宽分别为0.2 、0.3 m；墙面板基础高和宽分别为0.4、0.6 m；筋材间距为Sv，筋材长度为0.7H，顶部条形基础宽为B，距面板背部为D。加筋土挡墙计算模型的左侧边界和右侧地基土边界限制水平方向位移，而地基土底部为固定边界。见图1。

图1 顶部条形基础作用下加筋土挡墙数值模型

1.2 数值分析中各部分本构模型

采用Plaxis 分析软件，对图1 所示加筋土挡墙进行数值模拟。挡墙填料土体采用满足摩尔-库伦屈服准则的弹塑性本构模型，内部筋材采用软件内嵌的土工格栅单元模拟，设定筋材为弹塑性材料。为保证加筋土挡墙正常工作，即安全系数FS=1.5，数值计算中筋材纵向2%、5%延伸率分别对应拉伸强度为10.5、21 kN/m，筋材抗拉刚度值为350 kN/m。考虑筋-土界面接触面的强度折减系数值为0.67，砌块间接触面的折减系数为0.8。挡墙面板为混凝土材料，采用弹性模型模拟。

1.3 加筋土挡墙数值模拟分析方案

考虑顶部条形基础位置D、宽度B、填土性质、筋材长度和荷载等级等因素的影响。依据FHWA 规范要求，墙面板背部到基础荷载中心线的最小距离为1 m，墙面板背部与基础荷载前缘间最小距离D为0.15 m；实际中当荷载偏移距离和荷载宽度增加至0.5H时，墙顶荷载所覆盖范围已完全涵盖加筋区域，所以基础荷载的宽度B与偏移距离D将在0.1H~0.5H间进行选取；筋材间距Sv为0.4 m，填料土内摩擦角φ取值范围为28°~40°，填料和地基土重度均为19 kN/m3，填料和地基土弹性模量分别为30、50 MPa，面板弹性模量和泊松比分别为300 MPa和0.2。表1。

表1 数值模拟分析方案

1.4 筋-土界面特性拉拔过程数值模拟验证

为验证数值计算方法，选取文献[7]中加筋土挡墙室内模型试验进行对比分析，试验加筋土挡墙高H为360 mm；墙后填土埋设长度为720 mm，筋材长度取0.7H，试验筋材层间中Sv为90 mm；加载板宽度B为120 mm；试验用回填料为干净河砂，泊松比和弹性模量分别为0.3和10 MPa，重度为17.94 kN/m³，内摩擦角φ和黏聚力c分别为41°和0 kPa；加筋材料格栅的抗拉强度为12.4 kN/m，纵横向2%和5%的伸长率所对应的拉伸强度分别为4.1、8.5 kN/m；挡墙面板选用混凝土块，试验模型墙面板的体积模量和剪切模量分别为1.7×104、1.3×103MPa，重度为20 kN/m3。

分析试验条形基础偏移距离D=0.3H时墙面板水平位移。随顶部荷载值增加，数值模拟和试验结果所得墙面板水平位移不断增大，二者总体上吻合较好，表明本文数值计算方法在计算加筋土挡墙水平位移时是可靠的。见图2。

图2 不同顶部荷载下加筋土挡墙水平位移对比

2 数值计算结果分析

2.1 荷载偏移距离对墙面板水平变形的影响

为分析基础荷载位置对墙面板水平变形的影响，根据表1 研究当荷载宽度为0.2H时荷载偏移距离与墙面板侧向变形间的相互关系。见图3。

图3 荷载作用位置对加筋土挡墙面板水平变形的影响

图3 中墙面板侧向变形曲线为倒“C”形，最大变形出现在墙面板中部；水平最大变形位置高度随荷载偏移距离增加而变化，随着荷载偏移距离逐渐增加，墙面板最大水平变形值逐渐减小，最大变形出现的位置从墙面板上部逐渐向墙趾方向移动，表明条形基础作用位置距面板越远，对挡墙水平位移的影响越小，影响深度逐渐增大。

2.2 荷载宽度对墙面板水平变形的影响

为研究荷载宽度对加筋土挡墙面板水平变形的影响，固定荷载偏移距离D=0.3H。随荷载宽度逐渐增加，加筋土挡墙最大水平变形逐渐增大；墙面板水平最大变形出现的位置随荷载宽度增加呈先增高后降低的变化趋势。见图4。

图4 荷载宽度对挡墙水平变形的影响

为分析上述现象，输出不同荷载宽度下挡墙总位移云图(以B=0.1H和B=0.5H为例)。见图5。

图5 不同荷载宽度时挡墙水平变形

由于挡墙顶部基础荷载合力随荷载宽度增加而逐渐增大，引起基础荷载下方回填土变形量增大，导致墙面板侧向变形逐渐增大；挡墙顶部荷载宽度增加时，墙背土压力合力也随之增加，墙面板水平变形值逐渐增大。墙面板最大水平变形所在位置随荷载宽度增加呈先增高后降低的变化趋势，当荷载宽度为0.1H时，由于荷载宽度过小，参考一般基础的“刺入”破坏，基础荷载下方的土体主要表现为在垂直方向上的沉降变形，墙面板侧向最大变形位置相对较低；当荷载宽度B≥0.3H时，随荷载宽度增加，墙面板最大水平变形所在位置逐渐降低，墙背土压力合力的作用位置逐渐向墙趾方向靠拢，导致墙面板最大水平变形逐渐向墙趾移动。

2.3 填料抗剪强度指标对墙面板水平变形的影响

基于表1，通过改变填料抗剪强度分析其对墙面板水平变形的影响。随着抗剪强度逐渐增加，加筋土挡墙面板水平变形逐渐减小且减小的速率降低；此外，随内摩擦角或黏聚力值逐渐增加，加筋土挡墙面板最大侧向变形所在位置逐渐降低。见图6。

图6 填料抗剪强度指标对墙面板水平变形影响

随着填料内摩擦角和黏聚力逐渐增加，土体自身抗变形能力逐渐增强，墙面板水平变形随填土内摩擦角或黏聚力的增大而减小；随着填土内摩擦角的增大，由荷载引起的墙背部土压力的作用位置逐渐向墙趾方向靠拢。同理，当基础荷载作用在加筋土挡墙顶部时，随着填土内摩擦角增大，挡墙在顶部荷载作用下土体滑动面将逐渐贯穿整个加筋区域，即墙背土压力合力作用位置将逐渐向墙趾方向移动，由于模块式挡墙属于柔性墙体，在荷载作用下容易发生变形，随着填土抗剪强度的增大，墙面板最大水平变形所在位置逐渐降低；同时，当增加填土黏聚力时，墙面板最大水平变形所在位置逐渐降低。

2.4 筋材长度对挡墙面板水平变形的影响

随着筋材长度逐渐增加，墙面板侧向变形逐渐减小，墙面板最大水平变形所在位置呈先增高后降低的变化趋势。当筋材长度L=0.5H时，墙面板水平变形最大且最大变形所在位置最低；当筋材长度L≥0.6H时，随着筋材长度增加，墙面板侧向变形逐渐减小且减小幅度降低，表明继续增加筋材长度对控制变形作用不明显。随着筋材长度的增加，墙面板最大变形所在位置缓慢降低，主要是由于筋材长度增加，加筋区范围扩大，加筋区刚度增加会导致最大位移有所下移，但总体变化不大。见图7。

图7 筋材长度对加筋土挡墙面板水平变形的影响

2.5 顶部条形荷载值对挡墙面板水平变形的影响

选取加筋土挡墙顶部荷载宽度B=0.2H和荷载偏移距离D=0.3H，分析基础荷载P分别为100、200、300、400、500 kPa时墙面板的水平变形。见图8。

图8 顶部荷载大小对挡墙面板水平变形影响

挡墙面板水平最大变形随荷载值增加而逐渐增大，主要是挡墙顶部局部荷载对墙背作用力随墙顶荷载增加而逐渐增大，导致墙面板水平变形逐渐增大。墙面板水平最大变形所在位置随基础荷载增加先增高后渐趋平稳，事实上，当增加挡墙顶部荷载时，墙背土压力合力逐渐增大，挡墙顶部荷载对墙面板水平变形的影响逐渐加强；此时，由填土和基础荷载引起的墙背土压力共同决定了墙面板侧向最大变形所在位置，随着基础荷载值逐渐增加，由基础荷载引起的挡墙背部土压力合力逐渐成为影响墙面板水平变形的主要因素；当基础荷载＞200 kPa 时，墙面板侧向最大变形位置完全由顶部荷载决定，继续增加基础荷载值，墙面板侧向最大变形所在位置高度不再发生改变。